新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)風(fēng)力發(fā)電本科樊詳解演示文稿

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)風(fēng)力發(fā)電本科樊詳解演示文稿機械工業(yè)出版社1第一頁，共九十頁。（優(yōu)選）新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)風(fēng)力發(fā)電本科樊機械工業(yè)出版社2第二頁，共九十頁。感性認(rèn)識：各式風(fēng)機機械工業(yè)出版社3第三頁，共九十頁。機械工業(yè)出版社4第四頁，共九十頁。機械工業(yè)出版社5第五頁，共九十頁。機械工業(yè)出版社6第六頁，共九十頁。3.1風(fēng)的特性及風(fēng)能利用3.1.1風(fēng)的產(chǎn)生風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和地表差異等引起，大氣是這種能源轉(zhuǎn)換的媒介。圖3-1地球上風(fēng)的運動機械工業(yè)出版社7第七頁，共九十頁。3.1.2風(fēng)的特性與風(fēng)能1、風(fēng)的表示法（1）風(fēng)向的表示法

風(fēng)吹來的地平方向定為風(fēng)的方向。風(fēng)向一般用16個方位表示，也可以用角度表示。觀測風(fēng)向的儀器，目前使用最多的是風(fēng)向標(biāo)。圖3-2風(fēng)向方位圖機械工業(yè)出版社8第八頁，共九十頁。（2）風(fēng)速的表示法

由于風(fēng)時有時無、時大時小，每一瞬時的速度都不相同，所以風(fēng)速是指一段時間內(nèi)的平均值，即平均風(fēng)速。國際上的單位為m/s或km/h。

機械工業(yè)出版社9第九頁，共九十頁。（3）風(fēng)速與風(fēng)級

風(fēng)力等級是根據(jù)風(fēng)對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強度等級來估計風(fēng)力的大小。國際上采用的為蒲福風(fēng)級，從靜風(fēng)到颶風(fēng)共分為13個等級。

風(fēng)力等級與風(fēng)速的關(guān)系：式中VN——N級風(fēng)的平均風(fēng)(m/s)；N——風(fēng)的級數(shù)。機械工業(yè)出版社10第十頁，共九十頁。2、風(fēng)的特性（1）風(fēng)的隨機性

風(fēng)的產(chǎn)生是隨機的，但可以根據(jù)風(fēng)隨時間的變化總結(jié)出一定的規(guī)律。如地面上夜間風(fēng)弱，白天風(fēng)強；高空中夜里風(fēng)強，白天風(fēng)弱，這個逆轉(zhuǎn)的零界高度為100~150m。我國大部分地區(qū)風(fēng)隨季節(jié)變化的情況是：春季最強、冬季次之、夏季最弱。（2）風(fēng)隨高度的變化而變化

機械工業(yè)出版社11第十一頁，共九十頁。不同高度風(fēng)速的表達式：

式中ν——距地面高度為h處的風(fēng)速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風(fēng)速（m／s），一般取h0為10m；k——修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.125～0.5。

為了從自然界獲取最大的風(fēng)能，應(yīng)盡量利用高空中的風(fēng)能，一般至少比周圍的障礙物高10m左右。機械工業(yè)出版社12第十二頁，共九十頁。3、風(fēng)能

（1）風(fēng)能密度

空氣在1s內(nèi)以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動能。表達式為：

（2）風(fēng)能

空氣在1s內(nèi)以速度ν流過面積為S截面的動能。

表達式為：

（3）風(fēng)能的特點優(yōu)點：蘊量巨大、可再生、分布廣泛、沒有污染缺點：密度低（只有水力的1/816）、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大機械工業(yè)出版社13第十三頁，共九十頁。3.1.3風(fēng)能的利用

風(fēng)能的利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，一般利用風(fēng)推風(fēng)車的轉(zhuǎn)動以形成動能。機械工業(yè)出版社14第十四頁，共九十頁。3.2風(fēng)力發(fā)電機組及工作原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及分類

1、風(fēng)力發(fā)電機組的分類

風(fēng)力發(fā)電機組的分類一般有3種，如下表所示。機械工業(yè)出版社15第十五頁，共九十頁。從風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)力發(fā)電機的功率

按運行方式

水平軸風(fēng)力發(fā)電機組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組

微型（額定功率50～1000W）、小型（額定功率1.0～10kW）、中型（額定功率10～100kW）和大型（額定功率大于100kW）

獨立運行和并網(wǎng)運行

機械工業(yè)出版社16第十六頁，共九十頁。2、風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機組中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組因其效率低、需起動設(shè)備等技術(shù)原因應(yīng)用較少，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)。機械工業(yè)出版社17第十七頁，共九十頁。（1）獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組

水平軸獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見右圖。

圖3-6水平軸獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組主要結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社18第十八頁，共九十頁。

并網(wǎng)運行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示。

（2）并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組圖3-7并網(wǎng)運行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的原理框圖機械工業(yè)出版社19第十九頁，共九十頁。

并網(wǎng)運行的大型風(fēng)力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙、機座、回轉(zhuǎn)體、制動器）等組成。（3）大型風(fēng)力發(fā)電機組圖3-8大型風(fēng)力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社20第二十頁，共九十頁。3.2.2風(fēng)力機

風(fēng)力機又稱為風(fēng)輪，主要有水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。1、水平軸風(fēng)力機：旋轉(zhuǎn)軸與地面呈水平狀態(tài)a.荷蘭式b.農(nóng)莊式c.自行車式d.槳葉式

圖3-9水平軸風(fēng)力機機械工業(yè)出版社21第二十一頁，共九十頁。機械工業(yè)出版社22第二十二頁，共九十頁。水平軸風(fēng)力機的技術(shù)參數(shù)主要有：

風(fēng)輪直徑：功率越大，直徑越大

葉片數(shù)量：高速風(fēng)力機2~4片，低速風(fēng)力機大于4片

風(fēng)能利用系數(shù)：0.15~0.5

起動風(fēng)速：3~5m/s

停機風(fēng)速：15~35m/s

輸出功率：幾十W至幾MW

機械工業(yè)出版社23第二十三頁，共九十頁。2、垂直軸風(fēng)力機：旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面a.薩窩紐斯式b.達里厄式c.旋翼式圖3-10垂直軸風(fēng)力機機械工業(yè)出版社24第二十四頁，共九十頁。

風(fēng)向改變時無需對風(fēng)，其設(shè)計、制造、安裝、運行都比水平軸風(fēng)力機簡單方便。之前普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)力機自啟動能力差，葉尖速比低，風(fēng)能利用效率低，所以發(fā)展比較滯后。機械工業(yè)出版社25第二十五頁，共九十頁。3.2.3風(fēng)力機的氣動原理

現(xiàn)代風(fēng)力機采用空氣動力學(xué)原理，就像飛機的機翼一樣。風(fēng)并非“推”動風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。機械工業(yè)出版社26第二十六頁，共九十頁。

如果將一塊薄板翼形放在氣流中且與氣流方向平行，由于翼片上表面彎曲，下表面平直，翼片上方氣流速度比下方快，跟據(jù)流體力學(xué)的伯努利原理，上方氣體壓強比下方小，上下表面間的壓差產(chǎn)生垂直于氣流方向的升力。1、翼形和受力機械工業(yè)出版社27第二十七頁，共九十頁。

當(dāng)翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角或迎角）時，隨攻角增加升力會增大，阻力也會增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后翼片上方氣流會發(fā)生分離，產(chǎn)生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速。

機械工業(yè)出版社28第二十八頁，共九十頁。3、風(fēng)力機的輸出功率當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力機的葉片時，風(fēng)力機的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，風(fēng)力機的機械輸出功率可用式子表示為：

對應(yīng)于最大的風(fēng)力機利用系CPm有一個葉尖速比λm，因風(fēng)速經(jīng)常變化，為實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，風(fēng)力機應(yīng)變速運行，以維持葉尖速比λm不變。機械工業(yè)出版社29第二十九頁，共九十頁。4、風(fēng)力機的調(diào)節(jié)與控制風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)方式有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動失速調(diào)節(jié)三種。（1）風(fēng)力機的定槳距調(diào)節(jié)與控制

定槳距失速調(diào)節(jié)一般用于恒速控制，其風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。在風(fēng)速超過額定風(fēng)速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機組的輸出功率在額定值附近。

機械工業(yè)出版社30第三十頁，共九十頁。

在流體力學(xué)中，失速是指翼型氣動攻角增加到一定程度（達到臨界值）時，翼型所產(chǎn)生的升力突然減小的一種狀態(tài)。翼型氣動迎角超過該臨界值之前，翼型的升力是隨迎角增加而遞增的；但是迎角超過該臨界值后，翼型的升力將遞減。

機械工業(yè)出版社31第三十一頁，共九十頁。

基本原理：當(dāng)槳距角固定不變時，隨著風(fēng)速的增加，增加到高于額定風(fēng)速時，氣流的攻角增大，氣流與翼型分離，上下翼面壓力差減小，致使阻力增加，升力減小，造成失速條件，其效率降低，從而達到限制功率的目的。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、部件小、造價低。

缺點：機組的整體效率較低。

解決措施：采用設(shè)計有兩個不同功率、不同極對數(shù)的雙速異步發(fā)電機。機械工業(yè)出版社32第三十二頁，共九十頁。（2）風(fēng)力機的變槳距調(diào)節(jié)與控制

變槳距風(fēng)力機的整個葉片可以繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片的攻角在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調(diào)節(jié)是指通過變槳距機構(gòu)改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風(fēng)輪葉片的槳距角隨風(fēng)速的變化而變化，一般用于變速運行的風(fēng)力發(fā)電機，主要目的是改善機組的起動性能和功率特性。根據(jù)其作用可分為三個控制過程：起動時的轉(zhuǎn)速控制，額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。機械工業(yè)出版社33第三十三頁，共九十頁。①起動時的轉(zhuǎn)速控制

變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時，槳距角β為90o，當(dāng)風(fēng)速達起動風(fēng)速時，槳葉向0o方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)力機獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)之前，給定變槳距系統(tǒng)一個轉(zhuǎn)速參考值，根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值和反饋的轉(zhuǎn)速信號比較來調(diào)整槳距角，進行速度閉環(huán)控制。

機械工業(yè)出版社34第三十四頁，共九十頁。②額定轉(zhuǎn)速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制發(fā)電機并網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，發(fā)電機運行于額定功率以下的低功率狀態(tài)，稱為欠功率狀態(tài)。早期的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組對此狀態(tài)不作控制，控制器將葉片槳距角置于附近，不作變化，發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動性能隨風(fēng)速的變化而變化。

為了改善低風(fēng)速時的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機上，利用新技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。機械工業(yè)出版社35第三十五頁，共九十頁。③額定轉(zhuǎn)速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當(dāng)風(fēng)速過高時，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，使槳距角β向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，β增大，功角α減小，如圖所示。從而改變風(fēng)力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時風(fēng)力機在額定點的附近具有較高的風(fēng)能利用因數(shù)。

機械工業(yè)出版社36第三十六頁，共九十頁。a）變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率曲線

b）定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率曲線

由圖可見，在額定風(fēng)速以下，兩者相似，但在額定風(fēng)速以上，變槳距風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率維持恒定，而定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率由于風(fēng)力機的失速當(dāng)風(fēng)速增大時而減小。機械工業(yè)出版社37第三十七頁，共九十頁。3.2.4風(fēng)力發(fā)電機

在由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，發(fā)電機及其控制器是整個系統(tǒng)的核心。獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機主要有直流發(fā)電機、永磁式交流發(fā)電機、硅整流自勵式交流發(fā)電機及電容式自勵異步發(fā)電機。并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機機組中使用的發(fā)電機主要有同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速交流發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、交流整流子發(fā)電機、高壓同步發(fā)電機及開關(guān)磁阻發(fā)電機等。機械工業(yè)出版社38第三十八頁，共九十頁。1、獨立運行風(fēng)力發(fā)電機組中的發(fā)電機

獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨立運行的交流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3-14獨立運行的交流風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社39第三十九頁，共九十頁。（1）直流發(fā)電機直流電機典型結(jié)構(gòu)如圖示。直流發(fā)電機可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機的無刷化，永磁直流發(fā)電機的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機。

圖3-15直流發(fā)電機工作原理機械工業(yè)出版社40第四十頁，共九十頁。（2）永磁式交流同步發(fā)電機永磁式交流同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組，因此無勵磁繞組的銅損耗，發(fā)電機的效率高；轉(zhuǎn)子上無集電環(huán)，發(fā)電機運行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機體積小，重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應(yīng)用于小型及微型風(fēng)力發(fā)電機中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉(zhuǎn)子4—轉(zhuǎn)子軸5—氣隙6—定子繞組機械工業(yè)出版社41第四十一頁，共九十頁。（3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機

硅整流自勵式交流同步發(fā)電機一般帶有勵磁調(diào)節(jié)器，通過自動調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質(zhì)量。圖3-18硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖機械工業(yè)出版社42第四十二頁，共九十頁。（4）電容自勵式異步發(fā)電機

電容自勵式異步發(fā)電機是在異步發(fā)電機定子繞組的輸出端接上電容，以產(chǎn)生超前于電壓的容性電流建立磁場，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵式異步發(fā)電機電路原理機械工業(yè)出版社43第四十三頁，共九十頁。2、并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機

（1）異步發(fā)電機

定子：三相繞組，可采用星形或三角形聯(lián)結(jié)。轉(zhuǎn)子：繞組為籠型或繞線型。采用定子繞組上并接電容器來提供無功電流建立磁場，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，并且恒速運行。通常，處于并網(wǎng)運行的較大容量異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般在（1~1.05）ns

之間。機械工業(yè)出版社44第四十四頁，共九十頁。風(fēng)力異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，只要發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)，對機組的調(diào)速要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作。異步發(fā)電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系，可通過轉(zhuǎn)差率來調(diào)整輸出。機械工業(yè)出版社45第四十五頁，共九十頁。（2）同步發(fā)電機a.普通同步發(fā)電機

定子：定子鐵心和三相繞組。轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子軸等組成；有隱極式和凸極式兩種。凸極式同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，一般用于低速發(fā)電場合。隱極式同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)子機械強度高，可用于高速發(fā)電。機械工業(yè)出版社46第四十六頁，共九十頁。

轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵磁電流來建立磁場。

工作原理：同步發(fā)電機在風(fēng)力機的拖動下，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場切割定子上的三相繞組，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為f1的三相對稱的感應(yīng)電動勢和電流輸出，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一定時，同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；同步發(fā)電機運行時可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

機械工業(yè)出版社47第四十七頁，共九十頁。在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速的不定性使得發(fā)電機獲得不斷變化的機械能，給風(fēng)力機造成沖擊和高負(fù)載，對風(fēng)力機及整個系統(tǒng)不利。為了維持發(fā)電機發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)頻率始終相同，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須恒定，這就要求風(fēng)力機有精確的調(diào)速機構(gòu)，以保證風(fēng)速變化時維持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變，即等于同步轉(zhuǎn)速。b.新型同步發(fā)電機

低速同步發(fā)電機高壓同步發(fā)電機

機械工業(yè)出版社48第四十八頁，共九十頁。機械工業(yè)出版社49第四十九頁，共九十頁。（3）雙饋異步發(fā)電機

雙饋異步發(fā)電機是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)是由一臺帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機和變頻器組成，變頻器有交－交變頻器、交－直－交變頻器及正弦波脈寬調(diào)制雙向變頻器三種。圖3-25雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社50第五十頁，共九十頁。機械工業(yè)出版社51第五十一頁，共九十頁。雙饋異步發(fā)電機工作原理：異步發(fā)電機中定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場始終是相對靜止的，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化而頻率不變時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1為同步轉(zhuǎn)速；p——發(fā)電機的極對數(shù)；n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；f2——轉(zhuǎn)子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉(zhuǎn)差頻率。機械工業(yè)出版社52第五十二頁，共九十頁。根據(jù)雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)：1）亞同步運行狀態(tài)。此時n<n1，轉(zhuǎn)差率s>0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同方向，功率流向如圖所示。機械工業(yè)出版社53第五十三頁，共九十頁。2）超同步運行狀態(tài)。此時n>n1，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反方向，功率流向如圖所示。3）同步運行狀態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，與同步發(fā)電機相同。

機械工業(yè)出版社54第五十四頁，共九十頁。雙饋異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運行，也可以超同步運行，因此調(diào)速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；可對有功功率和無功功率進行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)矩脈動和輸出功率的波動，因此電能質(zhì)量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機。

機械工業(yè)出版社55第五十五頁，共九十頁。（4）無刷雙饋異步發(fā)電機

無刷雙饋異步發(fā)電機(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應(yīng)增大，常用的有級聯(lián)式和磁場調(diào)制型兩種類型。

圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機

圖3-28磁場調(diào)制型無刷雙饋異步發(fā)電機

機械工業(yè)出版社56第五十六頁，共九十頁。（5）開關(guān)磁阻發(fā)電機

開關(guān)磁阻發(fā)電機又稱為雙凸極式發(fā)電機（簡稱SRG），定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉(zhuǎn)子的極數(shù)多，轉(zhuǎn)子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨立的集中繞組，徑向獨立的兩個繞組串聯(lián)起來構(gòu)成一相。

圖3-29三相（6/4極）開關(guān)磁阻發(fā)電機結(jié)構(gòu)

機械工業(yè)出版社57第五十七頁，共九十頁。磁阻電機是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用齒極間的吸引力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。A相線圈接通電源產(chǎn)生磁通，磁力線從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，在磁力的牽引下轉(zhuǎn)子開始逆時針轉(zhuǎn)動；磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到20度為止，此時磁路最短。然后切斷A相電源接通B相電源，磁通從最近的轉(zhuǎn)子齒極通過轉(zhuǎn)子鐵芯，于是轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，磁力一直牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到50度為止。機械工業(yè)出版社58第五十八頁，共九十頁。開關(guān)磁阻發(fā)電機：在磁阻未達到最小之前關(guān)斷開關(guān)S1、S2，這時A相繞組電流不可能瞬時減小到零，其輸出電能通過續(xù)流二極管VD1、VD2回饋給直流電源。機械工業(yè)出版社59第五十九頁，共九十頁。開關(guān)磁阻發(fā)電機用作為風(fēng)力發(fā)電機時，其系統(tǒng)一般由風(fēng)力機、開關(guān)磁阻發(fā)電機及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。

開關(guān)磁阻發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，效率高而且轉(zhuǎn)矩密度大，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅(qū)動、變速運行，有一定的開發(fā)、研究價值。圖3-30開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的構(gòu)成機械工業(yè)出版社60第六十頁，共九十頁。3、風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略（1）風(fēng)力發(fā)電機組的恒速恒頻控制策略在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速(也即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速)不變，從而得到恒頻的電能。目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機多屬于恒速恒頻發(fā)電機組。為了適應(yīng)大小風(fēng)速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機，風(fēng)速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風(fēng)速高時則用大容量發(fā)電機發(fā)電。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個風(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風(fēng)速時的風(fēng)能。

機械工業(yè)出版社61第六十一頁，共九十頁。（2）風(fēng)力發(fā)電機組的變速恒頻控制策略在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為：①低于額定風(fēng)速時，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，以獲得最大能量；②高于額定風(fēng)速時，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。機械工業(yè)出版社62第六十二頁，共九十頁。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)控制過程：

(1)起動時通過調(diào)節(jié)槳距角控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)；(2)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風(fēng)能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；(3)在額定風(fēng)速以上，采用發(fā)電機轉(zhuǎn)子變速和槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風(fēng)力機獲取能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使風(fēng)力發(fā)電機保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機輸出功率的更加平穩(wěn)。機械工業(yè)出版社63第六十三頁，共九十頁。雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

特點：大大降低了變頻器的成本和控制難度；定子直接上網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。缺點是發(fā)電機仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

機械工業(yè)出版社64第六十四頁，共九十頁。4、風(fēng)力機偏航系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制

主要功能：一是使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能捕獲；二是當(dāng)機艙的電纜發(fā)生纏繞時自動解纜。

一般在風(fēng)輪的前部或者機艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時，控制器開始計時，這種方向偏差達到一定時間后，控制器控制偏航電機或者偏航液壓馬達將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方向。偏航角度大小的檢測通過安裝在機艙內(nèi)的角度編碼器實現(xiàn)。當(dāng)緊急停車時，需要通過偏航調(diào)節(jié)使機艙經(jīng)過最短的路徑與風(fēng)向成90度夾角。機械工業(yè)出版社65第六十五頁，共九十頁。3.3風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)

由于風(fēng)能是一個不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風(fēng)力發(fā)電必須采用儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行。

10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電機組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲能裝置獨立運行。

為解決風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前一般采用的方法是：

1000kW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)運行；

幾十kW～幾百kW的風(fēng)力發(fā)電機組可以并網(wǎng)運行，或者與其他發(fā)電裝置互補運行（如風(fēng)光互補、風(fēng)力－柴油發(fā)電聯(lián)合運行）；機械工業(yè)出版社66第六十六頁，共九十頁。大中型風(fēng)力發(fā)電機組主要是并網(wǎng)運行，由于發(fā)電機并網(wǎng)過程是一個瞬變過程，它受制于并網(wǎng)前的發(fā)電狀況，影響并網(wǎng)后發(fā)電機的運行和電網(wǎng)電能質(zhì)量，在并網(wǎng)運行方式中主要解決的問題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問題。對并網(wǎng)運行的不同風(fēng)力發(fā)電機組其控制方法和控制重點不同。機械工業(yè)出版社67第六十七頁，共九十頁。3.5.1同步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和頻率之間有著嚴(yán)格不變的固定關(guān)系，同步發(fā)電機在運行過程中，可通過勵磁電流的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無功功率的補償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機也是應(yīng)用最普遍的。機械工業(yè)出版社68第六十八頁，共九十頁。1、同步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

同步風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路如圖3-50所示，圖中同步發(fā)電機的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子勵磁繞組由勵磁調(diào)節(jié)器控制。（1）并網(wǎng)條件圖3-50同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的電路機械工業(yè)出版社69第六十九頁，共九十頁。同步風(fēng)力發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)時，為防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風(fēng)力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網(wǎng)端對應(yīng)相電壓的瞬時值完全一致。五個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；

在并網(wǎng)時，因風(fēng)力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對應(yīng)，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機設(shè)計、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中第③條頻率相同是必須滿足的條件。

⑤相位相同。機械工業(yè)出版社70第七十頁，共九十頁。（2）并網(wǎng)方法

滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式。在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機械部件造成沖擊。1）自動準(zhǔn)同步并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機組的起動與并網(wǎng)過程如下：偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向傳感器測量的風(fēng)向信號驅(qū)動風(fēng)力機對準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速達到風(fēng)力機的起動風(fēng)速時，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力機起動。機械工業(yè)出版社71第七十一頁，共九十頁。

當(dāng)發(fā)電機在風(fēng)力機的帶動下轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，勵磁調(diào)節(jié)器給發(fā)電機輸入勵磁電流，通過勵磁電流的調(diào)節(jié)使發(fā)電機輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。在風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速幾乎達到同步轉(zhuǎn)速、發(fā)電機的端電壓與電網(wǎng)電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時，控制斷路器合閘并網(wǎng)。風(fēng)力同步發(fā)電機并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)一致。以上的檢測與控制過程一般通過微機實現(xiàn)。機械工業(yè)出版社72第七十二頁，共九十頁。2）自同步并網(wǎng)

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組先通過限流電阻短接，電機中無勵磁磁場。用原動機將發(fā)電機轉(zhuǎn)子拖到同步轉(zhuǎn)速附近（差值小于5%）時，將發(fā)電機并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機勵磁，在定、轉(zhuǎn)子之間的電磁力作用下，發(fā)電機自動牽入同步。由于發(fā)電機并網(wǎng)時，轉(zhuǎn)子繞組中無勵磁電流，因而發(fā)電機定子繞組中沒有感應(yīng)電勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相角進行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，控制簡單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時下降現(xiàn)象。機械工業(yè)出版社73第七十三頁，共九十頁。2、同步風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)與補償

（1）有功功率的調(diào)節(jié)

風(fēng)力同步發(fā)電機中，風(fēng)力機輸入的機械能首先克服機械阻力，通過電機內(nèi)部的電磁作用轉(zhuǎn)化為電磁功率，電磁功率扣除電機繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計銅損耗和鐵損耗，可認(rèn)為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉(zhuǎn)子勵磁磁場軸線與定、轉(zhuǎn)子合成磁場軸線之間的夾角；功角特性：電磁功率Pem與功率角δ之間的關(guān)系。同步發(fā)電機內(nèi)部的電磁作用可以看成是轉(zhuǎn)子勵磁磁場和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)磁場之間的相互作用。機械工業(yè)出版社74第七十四頁，共九十頁。圖3-51同步發(fā)電機的功角特性a）凸極機b）隱極機機械工業(yè)出版社75第七十五頁，共九十頁。

這時可以增大勵磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調(diào)節(jié)。失步功率（極限功率）：對于隱極機而言，功率角為90°（凸極機功率角小于90°）時，輸出功率的最大功率。風(fēng)力機輸入的機械功率↑→Pem↑→勵磁不作調(diào)節(jié)，δ↑達到最大功率后，如果風(fēng)力機輸入的機械功率繼續(xù)↑→δ＞90°，Pem↓→轉(zhuǎn)速持續(xù)上升而失去同步。機械工業(yè)出版社76第七十六頁，共九十頁。（2）無功功率的補償2）同步發(fā)電機帶感性負(fù)載時，由于定子電流建立的磁場對電機中的勵磁磁場有去磁作用，發(fā)電機的輸出電壓也下降。為了維持發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定和補償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁電流。發(fā)電機的輸出電壓下降的原因：1）電網(wǎng)所帶的負(fù)載大部分為感性的異步電動機和變壓器，這些負(fù)載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，整個電網(wǎng)要是提供的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會下降。機械工業(yè)出版社77第七十七頁，共九十頁。同步發(fā)電機的無功功率補償可用其定子電流I和勵磁電流If之間的關(guān)系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機的定子電流I和勵磁電流If之間的關(guān)系曲線也稱為V型曲線。圖3-52同步發(fā)電機V型曲線機械工業(yè)出版社78第七十八頁，共九十頁。3、帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)

恒速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機輸出頻率完全取決于原動機的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之前發(fā)電機必須經(jīng)過嚴(yán)格的整步和（準(zhǔn)）同步，并網(wǎng)后也必須保持轉(zhuǎn)速恒定，因此對控制器的要求高，控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接。機械工業(yè)出版社79第七十九頁，共九十頁。當(dāng)風(fēng)速變化時，為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機發(fā)出的為變頻交流電，通過變頻器轉(zhuǎn)化后獲得恒頻交流電輸出，再與電網(wǎng)并聯(lián)。由于同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間通過變頻器相連接，發(fā)電機的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨立，并網(wǎng)時一般不會發(fā)生因頻率差而產(chǎn)生的較大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，并網(wǎng)過程比較平穩(wěn)。缺點是電力電子裝置價格較高、控制較復(fù)雜，同時非正弦逆變器在運行時產(chǎn)生的高頻諧波電流流入電網(wǎng)，將影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。帶變頻器的風(fēng)力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)機械工業(yè)出版社80第八十頁，共九十頁。3.5.2異步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)

異步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可靠性高、并網(wǎng)容易、無失步現(xiàn)象等優(yōu)點，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但其主要缺點是需吸收20%～30%額定功率的無功電流以建立磁場，為提高功率因數(shù)必須另加功率補償裝置。機械工業(yè)出版社81第八十一頁，共九十頁。1、異步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)

風(fēng)力異步發(fā)電機組的直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，即發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速盡可能接近于同步轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的誤差越小，并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流越小，衰減的時間越短。

風(fēng)力異步發(fā)電機組的并網(wǎng)方式主要有三種：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和通過晶閘管軟并網(wǎng)。（1）直接并網(wǎng)

機械工業(yè)出版社82第八十二頁，共九十頁。

當(dāng)風(fēng)力機在風(fēng)的驅(qū)動下起動后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速附近（一般為98%～10